不同作物秸稈生物炭對水稻鎘吸收的影響

黃雁飛，陳桂芬，熊柳梅，劉 斌，黃玉溢，劉永賢，唐其展

(廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣西 南寧 530007)

【研究意義】鎘是生物毒性最強的重金屬元素之一。2014年全國土壤污染狀況調(diào)查公報顯示，我國土壤鎘點位超標(biāo)率高于其他重金屬，被確定為土壤的首要污染物[1]。而水稻是喜鎘作物，極易從土壤中吸收累積鎘進(jìn)而通過食物鏈進(jìn)入人體造成極大危害。廣西鎘地球化學(xué)異常區(qū)稻米鎘超標(biāo)率達(dá)13.6 %，其中桂西北喀斯特地區(qū)鎘含量明顯高于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)值，已對廣西水稻安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[2-3]。生物炭是木材和作物秸稈等有機物質(zhì)在高溫缺氧條件下熱解生成的殘余物[4]，近年來作為一種新型環(huán)保功能材料在國內(nèi)外均引起了廣泛關(guān)注，具有廣闊的開發(fā)空間和應(yīng)用前景[5]。已有研究表明，生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，表面負(fù)電荷密集并富含大量羧基、醌基和酚羥基等官能團(tuán)，是一種良好的吸附劑，對重金屬具有較強的吸附性[6]。桑樹枝稈、木薯稈和甘蔗渣是廣西主要農(nóng)業(yè)廢棄植物纖維，若能以此為原料制備生物炭并應(yīng)用到鎘污染稻田土壤修復(fù)中變廢為寶，將具有重要的實踐意義。因此，研究桑樹枝稈、木薯稈和甘蔗渣生物炭對水稻鎘吸收的影響，對充分利用廣西秸稈廢棄物資源實現(xiàn)鎘污染稻田稻米安全生產(chǎn)意義重大?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】隨著人們對鎘污染問題關(guān)注度的不斷提高，土壤重金屬污染的修復(fù)方法也應(yīng)運而生，常見的有客土法、換土法、化學(xué)淋洗法和改良劑鈍化修復(fù)法等[7]。郝金才等[8]研究認(rèn)為，阻隔土壤重金屬向作物可食部位轉(zhuǎn)移是最經(jīng)濟(jì)有效的重金屬污染治理方法之一。谷學(xué)佳等[9]研究發(fā)現(xiàn)，以稻稈為原料的生物炭材料可有效阻隔重金屬鎘向水稻籽粒遷移，降低稻米鎘含量。張燕等[10]研究表明，玉米秸稈生物炭能顯著降低不同生育期水稻各部位的鎘含量。當(dāng)然，不同原料制備的生物炭其表面結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)存在明顯差異，對土壤重金屬污染物的吸附能力也存在較大差異，鈍化效果也截然不同[11-12]。楊惟薇等[13]研究表明，甘蔗葉、水稻秸稈和蠶沙生物炭對潮土中鎘的鈍化效果差異明顯，表現(xiàn)為蠶沙生物炭>水稻秸稈生物炭>甘蔗葉生物炭。杜霞等[14]對水曲柳和牛糞等4種生物炭的研究也表明，不同種類生物炭對重金屬的吸附效果存在明顯差異。甘蔗渣生物炭具有極強的吸附性能，改性后能有效吸附水體中鉻、砷和鉛等重金屬[15-17]，而樹桿生物炭復(fù)合鐵錳氧化物可高效吸附溶液中的砷[18]。此外，生物炭與有機肥配施存在正向協(xié)同效應(yīng)，能顯著增強底土中的碳循環(huán)、磷循環(huán)和氮循環(huán)相關(guān)酶活性，有效提高底土的肥力[19]?！颈狙芯壳腥朦c】廣西是桑蠶、木薯和糖料蔗的主產(chǎn)地，以桑樹枝稈、甘蔗渣和木薯稈廢棄物為原料制備生物炭原料充足，但目前關(guān)于秸稈生物炭的研究主要集中在其對土壤養(yǎng)分及作物生長的影響方面[20-21]，針對這3種秸稈生物炭影響水稻鎘吸收累積的研究鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以桑樹枝稈、甘蔗碴和木薯稈為原料制備生物炭，分析其不同施用量對鎘污染盆栽水稻土壤pH、有效態(tài)鎘含量及稻稈和稻米鎘含量的影響，為充分利用廣西桑蠶、木薯和糖料蔗等產(chǎn)業(yè)的秸稈廢棄物資源實現(xiàn)鎘污染稻田稻米安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年在廣西南寧市廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所科研基地溫室大棚進(jìn)行(東經(jīng)108°17′21″，北緯22°51′18″)。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫21.6 ℃，年均降水量1304.2 mm。供試土壤類型為第四紀(jì)紅土母質(zhì)發(fā)育形成的潴育性水稻土，全鎘含量10.05 mg/kg(參照GB 15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》，屬于鎘污染3類土壤)，有機質(zhì)含量3.42 %，堿解氮含量160.0 mg/kg，速效磷含量5.7 mg/kg，速效鉀含量30.0 mg/kg，pH 6.89。

1.2 試驗材料

供試水稻品種為雜交稻天優(yōu)998，鎘污染土壤樣品采自廣西崇左市大新縣某村水稻田；桑樹枝稈、木薯稈和甘蔗渣樣品均采集于廣西南寧市邕寧區(qū)那樓鎮(zhèn)那文村。取粉碎的桑樹枝稈、木薯稈和甘蔗渣樣品，填滿于瓷坩堝中，放入控溫馬弗爐，在缺氧條件下加熱，以10～30 ℃/min升溫至目標(biāo)溫度700 ℃保持2 h，關(guān)閉馬弗爐，自然冷卻至室溫后取出、研磨過100目篩儲存?zhèn)溆谩?種材料生物炭的基本理化性狀見表1。

表1 不同秸稈生物炭的基本理化性狀

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設(shè)計 桑樹枝稈生物炭施用量設(shè)1.5 %、3.0 %和4.5 % 3個處理，分別用MB1、MB2和MB3表示；甘蔗渣生物炭施用量設(shè)1.5 %、3.0 %和4.5 % 3個處理，分別用SB1、SB2和SB3表示，木薯稈生物炭施用量設(shè)1.5 %、3.0 %和4.5 % 3個處理，分別用CB1、CB2和CB3表示，以不施用生物炭為對照(CK)，共10個處理。每處理3個重復(fù)。水稻盆栽試驗于7月31日裝盆(即將生物炭和肥料按試驗處理要求與土壤樣品充分拌勻)，8月5日灌水浸泡，于8月14日移栽秧苗；各處理肥料運籌一致(即施N 195 kg/hm2、P2O554 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2)，其他管理措施均按水稻盆栽試驗管理規(guī)程進(jìn)行。

1.3.2 樣品采集 于當(dāng)季水稻成熟后采集稻谷、稻稈和土壤樣品。根據(jù)常規(guī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)習(xí)慣，將谷粒樣品置于室外陽光下曬干，稻稈裝入編號信封置于105 ℃烘箱內(nèi)殺青1 h，調(diào)至65 ℃烘至恒重后備用；曬干的谷粒用糙米機分出糙米，稻稈用植物粉碎機粉碎成植物樣品后裝入密封袋保存待用。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后過篩，用自封袋保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3 測定指標(biāo)及方法 土壤pH采用玻璃電極法測定，土水質(zhì)量比為1.0∶2.5。土壤鎘含量采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮法測定，土壤有效態(tài)鎘含量采用DTPA萃取法測定，稻稈和稻米鎘含量根據(jù)GB 509.15-2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測定》的規(guī)定采用濕式法消解測定。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2016進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計和圖表制作，以SPASS 19.0進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同原料、不同用量生物炭對鎘污染水稻土壤pH的影響

從圖1可看出，桑樹枝稈、木薯稈和甘蔗渣生物炭處理均可有效提高鎘污染水稻土的pH，同種原料生物炭處理鎘污染水稻土的pH隨著生物炭施用量的增加逐漸升高。其中，MB1、MB2和MB3處理鎘污染水稻土的pH分別較CK顯著(P<0.05，下同)提高5.08 %、5.95 %和6.10 %，CB1、CB2和CB3處理鎘污染水稻土的pH分別較CK顯著提高3.48 %、3.77 %和4.79 %，而SB1、SB2和SB3處理鎘污染水稻土的pH分別較CK提高0.15 %、1.45 %和2.90 %，但僅SB3處理顯著高于CK；3個桑樹枝稈生物炭處理鎘污染水稻土的pH均顯著高于同一處理水平的木薯稈生物炭處理(CB3處理除外)和甘蔗渣生物炭處理，3個木薯稈生物炭處理鎘污染水稻土的pH均顯著高于同一處理水平的甘蔗渣生物炭處理。說明3種原料生物炭均具有提高鎘污染水稻土pH的作用，施用桑樹枝稈生物炭的提高效果優(yōu)于木薯稈生物炭和甘蔗渣生物炭，尤其以施用4.5 %桑樹枝稈生物炭的提高效果更佳。

圖柱上不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同Different lowercase letters on the bar represented significant difference(P<0.05)

2.2 不同原料、不同用量生物炭對鎘污染水稻土有效態(tài)鎘含量的影響

從圖2可看出，桑樹枝稈、木薯稈和甘蔗渣生物炭處理均可顯著降低鎘污染水稻土的有效態(tài)鎘含量，且隨著生物炭施用量的增加，降幅逐漸增大。其中，MB1、MB2和MB3處理鎘污染水稻土的有效態(tài)鎘含量分別比CK低51.28 %、52.74 %和54.21 %，CB1、CB2和CB3處理鎘污染水稻土的有效態(tài)鎘含量分別比CK降低51.47 %、52.38 %和63.37 %，SB1、SB2和SB3處理鎘污染水稻土的有效態(tài)鎘含量分別比CK降低38.29 %、42.31 %和42.86 %；3個桑樹枝稈生物炭和木薯稈生物炭處理鎘污染水稻土的有效態(tài)鎘含量均顯著低于同一施用量水平的甘蔗渣生物炭處理；MB1、MB2和MB3處理水稻土的的有效態(tài)鎘含量均顯著高于CB3處理，與CB2和CB3處理差異不顯著(P>0.05)。說明施用3種原料生物炭均可顯著降低鎘污染水稻土的有效鎘含量，施用桑樹枝稈生物炭和木薯稈生物炭對降低鎘污染水稻土有效態(tài)鎘含量的效果優(yōu)于施用甘蔗渣生物炭，尤其以施用4.5 %木薯稈生物炭的降低效果更佳。

圖2 不同原料生物炭及用量對鎘污染水稻土有效態(tài)鎘含量的影響Fig.2 Effects of different ingredients and dosages of biochar treatment on available Cd content in paddy soil

2.3 不同原料、不同用量生物炭對鎘污染水稻土種植水稻稻米鎘含量的影響

從圖3可看出，桑樹枝稈、木薯稈和甘蔗渣生物炭處理均可降低鎘污染水稻土種植水稻的稻米鎘含量，且除CB1處理外均顯著低于CK。其中，MB1、MB2和MB3處理鎘污染水稻土種植水稻的稻米鎘含量分別比CK降低69.34 %、70.54 %和74.70 %，CB1、CB2和CB3處理鎘污染水稻土種植水稻的稻米鎘含量分別比CK降低7.14 %、40.54 %和41.46 %，SB1、SB2和SB3處理鎘污染水稻土種植水稻的稻米鎘含量分別比CK降低29.57 %、31.87 %和38.37 %；桑樹枝稈生物炭處理鎘污染水稻土種植水稻的稻米鎘含量均顯著低于木薯稈生物炭和甘蔗渣生物炭處理，尤其以MB3處理最低。說明施用3種生物炭均可降低鎘污染水稻土種植水稻的稻米鎘含量，且以施用桑樹枝稈生物炭的降低效果優(yōu)于施用木薯稈生物炭和甘蔗渣生物炭，尤其以施用4.5 %桑樹枝稈生物炭的降低效果更佳。

圖3 不同原料生物炭及用量對稻米鎘含量的影響Fig.3 Effects of different ingredients and dosages of biochar treatment on Cd content in rice

2.4 不同原料、不同用量生物炭對鎘污染水稻土種植水稻稻稈鎘含量的影響

從圖4可看出，桑樹枝稈、木薯稈和甘蔗渣生物炭處理鎘污染水稻土種植水稻的秸稈鎘含量均顯著低于CK。其中，MB1、MB2和MB3處理鎘污染水稻土種植水稻的稻稈鎘含量分別比CK降低55.71 %、72.67 %和76.94 %，CB1、CB2和CB3處理鎘污染水稻土種植水稻的稻稈鎘含量分別比CK降低12.42 %、58.45 %和61.57 %；SB1、SB2和SB3處理鎘污染水稻土種植水稻的稻稈鎘含量分別比CK降低10.45 %、42.72 %和51.01 %；3個桑樹枝稈生物炭處理鎘污染水稻土種植水稻的稻稈鎘含量均顯著低于同一施用量水平的木薯稈生物炭和甘蔗渣生物炭處理，尤其以MB3處理鎘污染水稻土種植水稻的稻稈鎘含量最低。說明施用3種生物炭均可有效降低鎘污染水稻土種植水稻的稻稈鎘含量，且施用桑樹枝稈生物炭的降低效果優(yōu)于木薯稈生物炭和甘蔗渣生物炭，尤其以施用4.5 %桑樹枝稈生物炭的降低效果更佳。

圖4 不同原料生物炭及用量對稻稈鎘含量的影響Fig.4 Effects of different ingredients and dosages of biochar treatment on Cd content in rice straw

2.5 土壤pH、有效態(tài)鎘含量及稻米和稻稈鎘含量的相關(guān)分析

由表1可知，施用生物炭各處理的土壤pH與土壤有效態(tài)鎘含量、稻米鎘含量和稻稈鎘含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01，下同)；土壤有效態(tài)鎘含量與稻稈鎘含量呈極顯著正相關(guān)，與稻米鎘含量呈顯著正相關(guān)；稻稈鎘含量與稻米鎘含量呈極顯著正相關(guān)。說明土壤有效態(tài)鎘含量越高則稻稈的鎘含量越高，稻米的鎘含量也隨之升高，而通過提高土壤pH可顯著降低鎘污染水稻土的有效態(tài)鎘含量及稻稈和稻米鎘含量。

表1 土壤pH、有效態(tài)鎘含量及稻米和稻稈鎘含量的相關(guān)分析結(jié)果

3 討 論

施用生物炭在一定程度上能通過提高土壤pH減輕作物對重金屬鎘的吸收累積[22]，而不同原料生物炭對土壤pH變化的影響程度不盡相同。吳愉萍等[23]試驗發(fā)現(xiàn)，黃秋葵秸稈炭、水稻秸稈炭和稻殼炭均可提高土壤pH，其中水稻秸稈炭的提高作用最明顯。吳敏等[24]研究椰炭和蔗炭對酸性土壤的改良效果，發(fā)現(xiàn)椰炭對土壤pH的提高作用明顯優(yōu)于蔗炭。不同原料生物炭的pH不同，對降低土壤pH的效果也存在差異[25-26]，本研究采用的3種生物炭材料均呈堿性，其pH排序為桑樹枝稈生物炭>木薯稈生物炭>甘蔗渣生物炭。本研究結(jié)果表明，施用生物炭可有效提高鎘污染盆栽水稻土的pH，同種原料生物炭處理水稻土的pH隨著生物炭施用量的增加而逐漸升高，桑樹枝稈生物炭對土壤pH的提高幅度大于同一施用量水平的木薯稈生物炭和甘蔗渣生物炭，其中以施用4.5 %桑樹枝稈生物炭的提高效果更佳，其原因與桑樹枝稈生物炭具有較高的pH有關(guān)，進(jìn)一步說明生物炭對土壤pH的影響與施用量及其自身pH有緊密關(guān)系。

土壤鎘的生物有效性通常受到土壤pH變化影響[27]。施用生物炭可使土壤pH大幅度升高，在一定程度上穩(wěn)定土壤重金屬的活性，降低其生物有效性和可移動性[28-29]。本研究結(jié)果表明，施用3種原料生物炭均可有效降低盆栽水稻土的有效態(tài)鎘含量，隨著同種原料生物炭施用量的增加土壤有效態(tài)鎘含量逐漸降低，施用桑枝生物炭和木薯稈生物炭鎘污染水稻土的有效態(tài)鎘含量均顯著低于施用同一水平甘蔗渣生物炭，其中施用4.5 %桑樹枝稈生物炭的降低效果更佳；相關(guān)分析結(jié)果顯示，土壤有效態(tài)鎘含量與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明施用生物炭后鎘污染水稻土pH的變化對土壤有效態(tài)鎘含量有著重要影響。馬鋒鋒等[30]研究認(rèn)為，生物炭通過表面所含的-COH、-COOH和-OH等官能團(tuán)與重金屬離子進(jìn)行吸附絡(luò)合，也是其對土壤鎘固定作用的機制之一，而杜霞等[14]研究發(fā)現(xiàn)，不同種類生物炭表面的官能團(tuán)含量存在較明顯差異，對重金屬的吸附鈍化效果明顯不同，因此，有必要進(jìn)一步從生物炭表面官能團(tuán)差異的角度分析生物炭對鎘的吸附鈍化作用。

施用生物炭能抑制土壤中的鎘向水稻植株遷移，顯著降低水稻籽粒的鎘含量[9]。本研究結(jié)果與谷學(xué)佳等[9]的研究結(jié)果基本一致，施用3種原料生物炭均可顯著降低鎘污染水稻土中種植水稻稻稈的鎘含量，通過減少鎘向水稻植株體內(nèi)遷移進(jìn)而降低稻米的鎘含量，其中以施用桑樹枝稈生物炭稻桿和稻米的鎘含量降幅最大，且在施用量為4.5 %時稻桿和稻米的鎘含量降至最低值。本研究結(jié)合相關(guān)分析結(jié)果認(rèn)為，通過調(diào)節(jié)土壤pH和土壤有效鎘含量來減少鎘向水稻植株體內(nèi)遷移是生物炭阻控鎘污染的主要機制之一。本研究還發(fā)現(xiàn)，土壤有效態(tài)鎘含量最低的CB3處理(施用4.5 %木薯稈生物炭)其稻米和稻桿的鎘含量并非最低，但顯著高于MB2和MB3處理(分別為施用3.0 %和4.5 %桑樹枝稈)稻米和稻桿的鎘含量，說明生物炭還可能通過改變水稻根際微環(huán)境等方式阻隔鎘向水稻植株體內(nèi)運輸，進(jìn)而降低稻米的鎘吸收累積量，與Lin等[31]、胡林飛[32]、劉達(dá)等[33]的觀點一致。但不同原料生物炭的理化性狀、微結(jié)構(gòu)及作用機制存在差異，因此，還需結(jié)合不同生物炭原料的特性從微觀角度探究施用生物炭對稻米鎘阻隔作用的機制。

4 結(jié) 論

施用桑樹枝稈、木薯稈和甘蔗渣生物炭可有效提高鎘污染水稻土的pH、降低土壤有效態(tài)鎘含量，進(jìn)而降低稻稈和稻米對鎘的吸收量。施用桑樹枝稈生物炭對稻米鎘含量的降低效果優(yōu)于施用木薯稈生物炭和甘蔗渣生物炭，且施用量為4.5 %時降幅最大。因此，在鎘污染稻田土壤中施用4.5 %桑樹枝稈生物炭可最大程度地緩解稻米對鎘的吸收，降低水稻生產(chǎn)的鎘污染風(fēng)險。